城市供水管网漏失智能分析定位技术研究

论文摘要

漏失是供水行业普遍存在的现象，世界各国都把供水管网的漏失控制作为一项重要课题来研究。而要想从根本上解决漏失问题，应对漏失原因及漏失机理进行分析，研究、开发有效的漏失定位及管理控制技术，从而为提出科学合理的具有针对性的漏失控制措施提供重要依据。本文针对目前供水管网漏失定位分析与控制管理等技术研究过程中存在的问题，展开了城市供水管网漏失成因分析与仿真模拟试验、基于漏失量变化的供水管网压力变化特性分析、基于遗传算法的管网漏失点定位与漏失量优化反问题计算、基于BP神经网络的供水管网漏失状态判别与漏失点定位等方面的研究，使得城市供水管网漏失智能分析定位技术能够更好的应用于实践中。目前大多对管道漏失量与压力关系的研究，都以传统的孔口出流计算公式为基础，并未考虑实际管道漏失过程中外界环境的影响，存在一定的局限性。本文对管道漏失时孔口及管道外土壤对水流的协同作用进行了研究，针对两种因素的影响因子比重进行分类，研究不同类型状态下管道漏失量和管道水头的函数关系，建立了相应的分析模型。为进一步研究管网漏失工况下的压力变化特性，建立了供水管网仿真模拟实验平台，并采用EPANET实现了该平台的微观仿真建模；根据漏失水量及管网压力变化的实时监测数据，开展了基于漏失量变化的供水管网压力变化特性仿真试验，掌握了供水管网在单点漏失及多点漏失工况下的节点压力变化规律，为供水管网漏失点定位技术的实现提供了重要的理论依据。通过上述研究，采用所建立的微观仿真模型，以漏失点所在管网中的位置及漏失点相应的漏失水量为变量，以漏失发生时管网压力监测点的监测值与模拟值的差值最小为目标，建立了基于遗传算法的供水管网反问题漏失定位模型；通过三种漏失工况下的漏失定位优化试验，验证了所构建的漏失定位方法的合理性和有效性。为进一步提高供水管网反问题漏失定位模型的精度，在管网压力在线监测数据的基础上，通过对漏失工况模型进行灵敏度分析研究，提出了精确性和实用性更高的基于BP神经网络的供水管网漏失状态判别及漏失点定位技术；并结合试验研究对优化计算结果加以验证，为实现及时、快速的诊断管网漏失、爆管等故障位置，有效的减少管网漏失水量提供了有力的技术支持。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景和研究意义
• 1.2 国内外研究现状及发展动态
• 1.3 研究内容和研究目标
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 研究目标
• 1.4 研究方案及可行性分析
• 1.4.1 研究方案
• 1.4.2 技术路线
• 1.5 论文创新点及主要成果
• 第2章 管道漏失成因分析及状态模拟
• 2.1 漏失成因分析
• 2.2 水流模拟装置及实验方案设计
• 2.2.1 水流模拟实验装置
• 2.2.2 土壤介质的选择
• 2.2.3 实验方案
• 2.3 水流模拟实验结果分析
• 2.3.1 土壤 A、B 渗透系数
• 2.3.2 不同孔径无覆土孔口出流对比
• 2.3.3 孔口φ=2cm 时覆土壤 A 与无覆土出流对比
• 2.3.4 孔口φ=2cm 时覆土壤 A 与土壤 B 出流对比
• 2.3.5 孔口φ=1cm 时覆土壤 B 与无覆土出流对比
• 2.3.6 孔口φ=2cm 时覆土壤 B 与无覆土出流对比
• 2.3.7 孔口覆土壤 B 时φ=1cm 与φ=2cm 出流对比
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于漏失量变化的供水管网压力变化特性研究
• 3.1 供水管网仿真模拟实验平台
• 3.1.1 供水管网仿真模拟实验平台开发的背景
• 3.1.2 仿真模拟实验平台的组成
• 3.2 仿真管网水力建模
• 3.2.1 微观模型简介
• 3.2.2 基于 EPA 水力建模
• 3.3 基于模型需要的压力监测点优化布置
• 3.3.1 管网压力监测点的优化布置
• 3.3.2 给定测点位置时测点所示区域的确定
• 3.3.3 给定测点所示区域时测点位置的确定
• 3.3.4 测点数给定时初始测点的确定
• 3.3.5 给定测点数时测点的优化布置
• 3.3.6 给定精度时测点的优化布置
• 3.4 多工况模型校核
• 3.5 管网漏失模拟与分析
• 3.5.1 单点漏失分析
• 3.5.2 两点漏失分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 基于遗传算法的反问题漏失定位研究
• 4.1 水力瞬变流反问题分析方法
• 4.1.1 管道瞬变流数学模型
• 4.1.2 系统辩识反问题
• 4.1.3 水力瞬变反问题分析
• 4.2 基于智能寻优的反问题漏失定位模型构建
• 4.3 智能化遗传算法
• 4.3.1 遗传算法的基本原理
• 4.3.2 遗传算法的基本实现技术
• 4.3.3 约束条件的处理
• 4.4 反问题漏失定位智能优化实践结果
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于 MATLAB-BP 网络的管网漏失状态判别与定位研究
• 5.1 神经网络基本理论
• 5.1.1 神经网络的基本概念
• 5.1.2 BP 神经网络
• 5.2 实验方案及神经网络各部分参数确定
• 5.2.1 实验方案
• 5.2.2 神经网络各部分参数确定
• 5.3 基于 MATLAB-BP 神经网络的管网漏失研究
• 5.3.1 神经网络的训练及输出
• 5.4 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研工作
• 致谢